thumb
Фото: Сибирский форум

Ещё в 70-х годах в Красноярском политехническом институте велись исследования движения тел в воде с большими скоростями. Тема имела военно-прикладное назначение, поскольку речь шла о судах на подводных крыльях для ВМФ. С участием красноярских учёных была поставлена на вооружение атомных подводных лодок ракета-торпеда «Шквал», которую до сих пор не превзошли в скорости ни немецкие, ни американские аналоги. В настоящее время ученые разрабатывают технологии обессоливания и очистки вод, получения наноматериалов, новых видов топлив, стройматериалов на основе явления кавитации.

Один из разработчиков — Владимир КУЛАГИН, д.т.н., заведующий кафедрой теплотехники и гидрогазодинамики, почётный работник науки и техники РФ, рассказывает о научной основе предложенных идей.

— В головной части ракеты расположен кавитатор (кавитация — это процесс парообразования в потоке жидкости, от лат. cavita — пустота), и ракета движется как бы внутри пузыря из парогазовой смеси, не испытывая сопротивления трения с водой, а лишь так называемое кавитационное сопротивление, которое существенно ниже гидродинамического. Она достигает больших скоростей и способна нести ядерный заряд. Лодка может выстрелить такой ракетой из-за линии горизонта и, оставаясь в безопасности, поразить цель. Скорость торпеды такова, что если чужой корабль и обнаружит произведённую по нему атаку, он не успеет сманеврировать.

Кавитационные технологии сегодня активно применяют в тепло- и гидроэнергетике, машиностроительной, строительной, пищевой, медицинской, сельскохозяйственной отраслях и других сферах.

В ноябре 2014 года профессоры СФУ Владимир и Татьяна Кулагины выступили с докладами в Ганновере на VIII Международном форуме Euro-Eco-2014 «Экологические, инженерно-экономические и правовые аспекты жизнеобеспечения». Симпозиум был организован Европейской академией естественных наук (ЕАЕН) и Европейским научным обществом. Красноярские учёные были награждены памятными медалями Готфрида Вильгельма фон Лейбница «За выдающиеся заслуги и отличные научные исследования» и дипломами ЕАЕН о присвоении почётного звания «Заслуженный деятель науки Европы» за самоотверженное служение науке.

В Ганновере супруги Кулагины представляли кавитационную технологию, применимую во многих отраслях — машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве, к тому же экологически безопасную. Взять хотя бы кондиционирование технических вод и очистку сточных. Результаты получены с помощью математического моделирования и эксперимента и изложены в двух диссертациях, выполненных под руководством Владимира Алексеевича Кулагина.

— Обессоливание природных вод, кондиционирование и очистка сточных вод — сегодня одна из самых актуальных тем в мире, — говорит профессор. — Если мы добываем воду из-под земли, возникает проблема солей и, в частности брома, который вреден для организма и обычными способами его не извлечь. Наша кавитационная технология обессоливания дешёвая и вполне конкурентоспособна.

При понижении давления в воде образуется кавитационный микропузырёк. В период роста внутрь него испаряется вода и газы, растворённые в воде. Пузырёк наполняется парогазовой смесью. Пока он растёт — ничего интересного из себя не представляет, а когда попадает в зону повышенного давления и начинает схлопываться, это сопровождается различными явлениями, достигающими высоких параметров.

Теперь вообразите не маленький пузырёк, а большую каверну (caverna — пустота) или пузырь. Внутрь него испаряется вода. Пары воды — это её молекулы в чистом виде, без солей. И эти пары мы специальным образом откачиваем из каверны и получаем чистую воду. При этом соли с потоком жидкости уносятся мимо пузыря…

Один из аспирантов на специальной опытной установке — кавитационном реакторе, собранном в университетской лаборатории, очищал стоки от мойки автомобилей и получал оборотную воду, которая вновь использовалась для мытья машин. Ресурсосберегающий, экологический эффект налицо.

Татьяна Анатольевна КУЛАГИНА, д.т.н., профессор кафедры инженерной экологии и безопасности жизнедеятельности, вместе со своими учениками на базе кавитационной технологии получила ряд важных результатов, позволяющих существенно снизить затраты на переработку, утилизацию и захоронение отходов радиохимического комплекса.

— Одна из последних наших совместных работ с к.ф.-м.н. Людмилой Васильевной КАШКИНОЙ и к.т.н. Олесей Павловной СТЕБЕЛЕВОЙ — получение наноматериалов с помощью кавитационной технологии, — продолжает Владимир Алексеевич. — С помощью кавитационных эффектов мы научились получать структуры типа астраленов, фуллеренов, углеродных нанотрубок из очень дешёвого сырья, к примеру, из древесной сажи. И эта технология достаточно дешёвая. Использование таких соединений в смазочных материалах приводит к снижению коэффициента трения в полтора раза. Изобретение востребовано в машиностроении и автомобилестроении, например, при эксплуатации и смазке двигателя. В стройиндустрии полученный таким образом материал (мы его назвали — КАУМ — кавитационный активированный углеродный материал) можно использовать в качестве присадки к цементным растворам и серобетонам. При этом получаем примерно в 1,7 раза увеличенную поверхностную прочность изделий.

Несколько лет назад в одном из совхозов Красноярского края провели эксперимент. Полученную на опытной установке кавитационно-обработанную воду использовали в теплицах для полива.

— Эффект был потрясающий — урожайность помидоров, огурцов и других овощей выросла как минимум на 25-30%, — вспоминает Владимир Алексеевич. — А заболеваемость растений резко снизилась.

Всё дело в структуре воды. Когда эта структура разбивается, образуются водородные связи. Во-первых, вещество, которое обладает свободными водородными связями, легче входит в контакт и взаимодействие с веществами, имеющими в своей структуре водород. Во-вторых, в результате механо-химических реакций в воде образуются свободные гидроксильные группы. И поскольку в воде растворён воздух, то в результате этих реакций изменяется кислотно-щелочной баланс, физические характеристики воды, такие как электропроводность, поверхностное натяжение.

Такая вода, обладая увеличенной растворяющей способностью, легче попадает в корневую систему растений и способна эффективно донести кислород и растворенные в почве минеральные вещества до живой
клетки.

— Мы стараемся пропагандировать свои разработки, рассказывать о достижениях, но предприниматели пока не реагируют, — делится Владимир Алексеевич.- А вот у иностранцев интерес огромный. В 2014 году я ездил на конференцию в Данию. После доклада на меня вышла фирма «Альфа Лаваль» из Копенгагена, занимающаяся масложировым направлением. Их интересовала технология окисления длинных жировых цепочек с помощью эффектов кавитации.

Год назад читал лекции в Харбинском политехническом университете. Китайцы тоже заинтересовались нашими разработками, в частности, экономичными и экологичными водоугольными суспензиями (когда измельченный уголь, смешанный с кавитационно-обработанной водой, подаётся в топки). Мы договорились совместно продолжать исследования по совершенствованию и использованию этой технологии.

Сфер применения кавитационной технологии множество: производство нового вида топлива для асфальтобетонных заводов, других экологически вредных предприятий. Изготовление наноалмазов и использование их в качестве присадки к моторным маслам. Строительство, гидротехническое строительство, санация инженерных сооружений. Очень интересны результаты, полученные по бетонам: применяя кавитационную технологию, можно для изготовления этого стройматериала использовать цемент более низкой марки (например, не 400, а 300) либо брать его примерно на 30% меньше. Ресурс очень великий, учитывая растущий объём строительных работ в том же Красноярске и крае.

В настоящее время учёные изучают возможность использования кавитационных технологий в ядерной энергетике, в криогенной технике, а также для повышения скорости хода судов и в других сферах.

Под руководством профессора Кулагина в 2012 году выполнен проект реконструкции и развития высоконапорной гидравлической лаборатории (ВГЛ) при плотине Красноярской ГЭС совместно с СКТБ «НАУКА» КНЦ СО РАН и Институтом теплофизики. Лаборатория не имеет аналогов в мире и предназначена для проведения фундаментальных и прикладных исследований в области гидродинамики больших скоростей. Иными словами — речь об исследованиях высокоскоростных течений жидкости и их взаимодействии с материалами и конструкциями. А это вопросы безопасности работы ГЭС.